Las mareas son la subida y bajada del nivel del mar provocadas por los efectos combinados de las fuerzas gravitacionales ejercidas por la Luna (y en mucha menor medida, el Sol ) y también son causadas por la órbita de la Tierra y la Luna entre sí.
Las tablas de mareas se pueden utilizar para cualquier lugar determinado para encontrar los tiempos y la amplitud previstos (o " rango de marea "). Las predicciones están influenciadas por muchos factores, incluida la alineación del Sol y la Luna, la fase y amplitud de la marea (patrón de mareas en las profundidades del océano), los sistemas anfidrómicos de los océanos y la forma de la costa y las zonas cercanas a la costa. batimetría (ver Cronometraje ). Sin embargo, son sólo predicciones; la hora real y la altura de la marea se ven afectadas por el viento y la presión atmosférica . Muchas costas experimentan mareas semidiurnas : dos mareas altas y bajas casi iguales cada día. Otros lugares tienen una marea diurna : una marea alta y una marea baja cada día. Una "marea mixta" (dos mareas de magnitud desigual por día) es una tercera categoría regular. [1] [2] [un]
Las mareas varían en escalas de tiempo que van desde horas hasta años debido a una serie de factores que determinan el intervalo lunitidal . Para realizar registros precisos, los mareógrafos en estaciones fijas miden el nivel del agua a lo largo del tiempo. Los medidores ignoran las variaciones causadas por olas con períodos inferiores a minutos. Estos datos se comparan con el nivel de referencia (o datum) generalmente llamado nivel medio del mar . [3]
Si bien las mareas suelen ser la mayor fuente de fluctuaciones a corto plazo del nivel del mar, los niveles del mar también están sujetos a cambios debido a la expansión térmica , el viento y los cambios de presión barométrica, lo que resulta en marejadas ciclónicas , especialmente en mares poco profundos y cerca de las costas.
Los fenómenos de marea no se limitan a los océanos, sino que pueden ocurrir en otros sistemas siempre que esté presente un campo gravitacional que varía en el tiempo y el espacio. Por ejemplo, la forma de la parte sólida de la Tierra se ve ligeramente afectada por las mareas terrestres , aunque esto no se ve tan fácilmente como los movimientos de las mareas del agua.
Se nombran cuatro etapas en el ciclo de las mareas:
Las corrientes oscilantes producidas por las mareas se conocen como corrientes de marea o corrientes de marea . El momento en que cesa la corriente de marea se denomina aguas tranquilas o marea baja . Luego, la marea invierte su dirección y se dice que está cambiando. El agua tranquila generalmente ocurre cerca de la marea alta y baja, pero hay lugares donde los momentos de marea baja difieren significativamente de los de marea alta y baja. [4]
Las mareas son comúnmente semidiurnas (dos mareas altas y dos mareas bajas cada día) o diurnas (un ciclo de marea por día). Las dos mareas altas en un día determinado normalmente no tienen la misma altura (la desigualdad diaria); éstas son la marea alta más alta y la marea alta más baja en las tablas de mareas . De manera similar, las dos aguas bajas de cada día son la bajamar más alta y la bajamar más baja . La desigualdad diaria no es consistente y generalmente es pequeña cuando la Luna está sobre el Ecuador . [b]
Se pueden definir los siguientes niveles de marea de referencia, desde el nivel más alto hasta el más bajo:
Los componentes de las mareas son el resultado neto de múltiples influencias que impactan los cambios de marea durante ciertos períodos de tiempo. Los constituyentes primarios incluyen la rotación de la Tierra, la posición de la Luna y el Sol en relación con la Tierra, la altitud (elevación) de la Luna sobre el ecuador de la Tierra y la batimetría . Las variaciones con períodos inferiores a medio día se denominan constituyentes armónicos . Por el contrario, los ciclos de días, meses o años se denominan constituyentes de período largo .
Las fuerzas de marea afectan a toda la Tierra , pero el movimiento de la Tierra sólida se produce por apenas centímetros. Por el contrario, la atmósfera es mucho más fluida y comprimible, por lo que su superficie se desplaza kilómetros, en el sentido del nivel de contorno de una determinada baja presión en la atmósfera exterior.
En la mayoría de los lugares, el componente más grande es el semidiurno lunar principal , también conocido como componente de marea M2 o constituyente de marea M2 . Su período es de unas 12 horas y 25,2 minutos, exactamente medio día lunar de marea , que es el tiempo medio que separa un cenit lunar del siguiente y, por tanto, es el tiempo necesario para que la Tierra gire una vez con respecto a la Luna. Relojes de marea simples rastrean este componente. El día lunar es más largo que el día terrestre porque la Luna orbita en la misma dirección que gira la Tierra. Esto es análogo al minutero de un reloj que cruza la manecilla de las horas a las 12:00 y luego nuevamente aproximadamente a la 1:05½ (no a la 1:00).
La Luna orbita la Tierra en la misma dirección en que la Tierra gira sobre su eje, por lo que la Luna tarda un poco más de un día (unas 24 horas y 50 minutos) en regresar al mismo lugar en el cielo. Durante este tiempo, ha pasado por encima ( culminación ) una vez y por debajo de los pies una vez (en un ángulo horario de 00:00 y 12:00 respectivamente), por lo que en muchos lugares el período de mayor fuerza de marea es el mencionado anteriormente, aproximadamente 12 horas. y 25 minutos. El momento de marea más alta no es necesariamente cuando la Luna está más cerca del cenit o nadir , pero el período de forzamiento aún determina el tiempo entre mareas altas.
Debido a que el campo gravitacional creado por la Luna se debilita con la distancia a la Luna, ejerce una fuerza ligeramente más fuerte que el promedio en el lado de la Tierra que mira a la Luna y una fuerza ligeramente más débil en el lado opuesto. Por tanto, la Luna tiende a "estirar" ligeramente la Tierra a lo largo de la línea que conecta los dos cuerpos. La Tierra sólida se deforma un poco, pero el agua del océano, al ser fluida, tiene libertad para moverse mucho más en respuesta a la fuerza de las mareas, particularmente en sentido horizontal (ver marea de equilibrio ).
A medida que la Tierra gira, la magnitud y dirección de la fuerza de marea en cualquier punto particular de la superficie de la Tierra cambian constantemente; Aunque el océano nunca alcanza el equilibrio (nunca hay tiempo para que el fluido "alcance" el estado que eventualmente alcanzaría si la fuerza de marea fuera constante), la fuerza de marea cambiante causa cambios rítmicos en la altura de la superficie del mar.
Cuando hay dos mareas altas cada día con alturas diferentes (y dos mareas bajas también de alturas diferentes), el patrón se denomina marea semidiurna mixta . [8]
El rango semidiurno (la diferencia de altura entre aguas altas y bajas durante aproximadamente medio día) varía en un ciclo de dos semanas. Aproximadamente dos veces al mes, alrededor de la luna nueva y la luna llena, cuando el Sol, la Luna y la Tierra forman una línea (una configuración conocida como sizigia [9] ), la fuerza de marea debida al Sol refuerza la debida a la Luna. La amplitud de la marea es entonces máxima; esto se llama marea de primavera . No lleva el nombre de la estación , sino que, al igual que esa palabra, deriva del significado "saltar, estallar, elevarse", como en un manantial natural . Las mareas vivas a veces se denominan mareas de sizigia . [10]
Cuando la Luna está en el primer o tercer cuarto, el Sol y la Luna están separados por 90° cuando se ven desde la Tierra, y la fuerza de marea solar cancela parcialmente la fuerza de marea de la Luna. En estos puntos del ciclo lunar, el rango de la marea es mínimo; esto se llama marea muerta , o marea muerta . "Neap" es una palabra anglosajona que significa "sin el poder", como en forðganges nip (avanzar sin el poder). [11] Las mareas muertas a veces se denominan mareas en cuadratura . [10]
Las mareas vivas dan como resultado aguas altas que son más altas que el promedio, aguas bajas que son más bajas que el promedio, un tiempo de " agua estancada " que es más corto que el promedio y corrientes de marea más fuertes que el promedio. Los neaps dan como resultado condiciones de marea menos extremas. Hay un intervalo de aproximadamente siete días entre la primavera y la siesta.
La distancia cambiante que separa la Luna y la Tierra también afecta la altura de las mareas. Cuando la Luna está más cerca, en el perigeo , el alcance aumenta, y cuando está en el apogeo , el alcance se reduce. Seis u ocho veces al año el perigeo coincide con la luna nueva o la luna llena, lo que provoca mareas vivas del perigeo con el mayor rango de mareas . La diferencia entre la altura de una marea durante la marea de primavera del perigeo y la marea de primavera cuando la luna está en su apogeo depende de la ubicación, pero puede ser tan grande como un pie más alta. [12]
Estos incluyen los efectos gravitacionales solares, la oblicuidad (inclinación) del ecuador de la Tierra y del eje de rotación, la inclinación del plano de la órbita lunar y la forma elíptica de la órbita terrestre del Sol.
Una marea compuesta (o sobremarea) resulta de la interacción en aguas poco profundas de sus dos olas principales. [13]
Debido a que el constituyente de marea M 2 domina en la mayoría de los lugares, la etapa o fase de una marea, denotada por el tiempo en horas después de la marea alta, es un concepto útil. La etapa de marea también se mide en grados, con 360° por ciclo de marea. Las líneas de fase de marea constante se denominan líneas de cotidal , que son análogas a las líneas de contorno de altitud constante en los mapas topográficos y, cuando se trazan, forman un mapa de cotidales o una carta de cotidales . [16] La marea alta se alcanza simultáneamente a lo largo de las líneas cotidales que se extienden desde la costa hacia el océano, y las líneas cotidales (y por lo tanto las fases de marea) avanzan a lo largo de la costa. Los componentes semidiurnos y de fase larga se miden a partir de la marea alta, y los diurnos a partir de la marea máxima. Esto y la discusión que sigue son precisamente ciertos sólo para un único componente de marea.
Para un océano en forma de cuenca circular encerrada por una costa, las líneas cotidales apuntan radialmente hacia adentro y eventualmente deben encontrarse en un punto común, el punto anfidrómico . El punto anfidrómico es a la vez cotidal con aguas altas y bajas, lo que se satisface con un movimiento de marea cero . (La rara excepción ocurre cuando la marea rodea una isla, como ocurre alrededor de Nueva Zelanda, Islandia y Madagascar ). El movimiento de las mareas generalmente disminuye al alejarse de las costas continentales, de modo que cruzando las líneas cotidales hay contornos de amplitud constante (la mitad de la distancia entre aguas altas y bajas) que disminuyen a cero en el punto anfidrómico. Para una marea semidiurna, el punto anfidrómico se puede considerar aproximadamente como el centro de la esfera de un reloj, con la manecilla de las horas apuntando en la dirección de la línea cotidal de marea alta, que está directamente opuesta a la línea cotidal de marea baja. La marea alta gira alrededor del punto anfidrómico una vez cada 12 horas en la dirección de las líneas cotidales ascendentes y en dirección contraria a las líneas cotidales decrecientes. Esta rotación, provocada por el efecto Coriolis , es generalmente en el sentido de las agujas del reloj en el hemisferio sur y en el sentido contrario a las agujas del reloj en el hemisferio norte. La diferencia entre la fase cotidal y la fase de una marea de referencia es la época . La marea de referencia es la hipotética "marea de equilibrio" constituyente en una Tierra sin tierra medida a 0° de longitud, el meridiano de Greenwich. [17]
En el Atlántico norte, debido a que las líneas cotidales circulan en sentido antihorario alrededor del punto anfidrómico, la marea alta pasa por el puerto de Nueva York aproximadamente una hora antes que el puerto de Norfolk. Al sur del cabo Hatteras, las fuerzas de marea son más complejas y no se pueden predecir de manera confiable basándose en las líneas cotidales del Atlántico norte.
La investigación de la física de las mareas fue importante en el desarrollo inicial de la mecánica celeste , explicando la existencia de dos mareas diarias por la gravedad de la Luna. Posteriormente, las mareas diarias se explicaron con mayor precisión por la interacción de la gravedad de la Luna y el Sol.
Seleuco de Seleucia teorizó alrededor del año 150 a. C. que las mareas eran causadas por la Luna. La influencia de la Luna sobre las masas de agua también fue mencionada en el Tetrabiblos de Ptolomeo . [C]
En De temporum ratione ( El cálculo del tiempo ), de 725 Beda , vinculó las mareas semidurales y el fenómeno de las variaciones de altura de las mareas con la Luna y sus fases. Beda comienza observando que las mareas suben y bajan 4/5 de hora más tarde cada día, al igual que la Luna sale y se pone 4/5 de hora más tarde. [19] Continúa enfatizando que en dos meses lunares (59 días) la Luna gira alrededor de la Tierra 57 veces y hay 114 mareas. [20] Beda luego observa que la altura de las mareas varía a lo largo del mes. Las mareas crecientes se llaman malinae y las mareas decrecientes ledones y que el mes se divide en cuatro partes de siete u ocho días alternando malinae y ledones . [21] En el mismo pasaje también señala el efecto de los vientos para contener las mareas. [21] Beda también registra que el tiempo de las mareas varía de un lugar a otro. Al norte de la ubicación de Beda ( Monkwearmouth ), las mareas son más tempranas, al sur más tardías. [22] Explica que la marea "desierta estas costas para poder inundar aún más otras [costas] cuando llegue allí" señalando que "la Luna que señala aquí la subida de la marea, señala su retirada en otras regiones alejadas de este cuarto del cielo". [22]
La comprensión medieval posterior de las mareas se basó principalmente en los trabajos de los astrónomos musulmanes , que estuvieron disponibles mediante traducción al latín a partir del siglo XII. [23] Abu Ma'shar al-Balkhi (muerto alrededor de 886), en su Introductorium in astronomiam , enseñó que las mareas altas y bajas eran causadas por la Luna. [23] Abu Ma'shar discutió los efectos del viento y las fases de la Luna en relación con el Sol en las mareas. [23] En el siglo XII, al-Bitruji (muerto alrededor de 1204) aportó la noción de que las mareas eran causadas por la circulación general de los cielos. [23]
Simon Stevin , en su De spiegheling der Ebbenvloet ( La teoría del reflujo y la inundación ) de 1608, descartó una gran cantidad de conceptos erróneos que aún existían sobre el reflujo y la inundación. Stevin defendió la idea de que la atracción de la Luna era responsable de las mareas y habló en términos claros sobre el reflujo, la inundación, la marea viva y la marea muerta , subrayando que era necesario realizar más investigaciones. [24] [25]
En 1609, Johannes Kepler también sugirió correctamente que la gravitación de la Luna causaba las mareas, [d] lo cual basó en observaciones y correlaciones antiguas.
Galileo Galilei en su Diálogo sobre los dos principales sistemas mundiales de 1632 , cuyo título provisional era Diálogo sobre las mareas , dio una explicación de las mareas. La teoría resultante, sin embargo, era incorrecta ya que atribuyó las mareas al chapoteo del agua causado por el movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Esperaba proporcionar pruebas mecánicas del movimiento de la Tierra. Se discute el valor de su teoría de las mareas. Galileo rechazó la explicación de Kepler sobre las mareas.
Isaac Newton (1642-1727) fue la primera persona en explicar las mareas como producto de la atracción gravitacional de masas astronómicas. Su explicación de las mareas (y muchos otros fenómenos) fue publicada en los Principia (1687) [27] [28] y utilizó su teoría de la gravitación universal para explicar las atracciones lunares y solares como el origen de las fuerzas generadoras de mareas. [e] Newton y otros antes de Pierre-Simon Laplace trabajaron el problema desde la perspectiva de un sistema estático (teoría del equilibrio), que proporcionó una aproximación que describía las mareas que ocurrirían en un océano no inercial que cubriera uniformemente toda la Tierra. [27] La fuerza generadora de mareas (o su potencial correspondiente ) sigue siendo relevante para la teoría de las mareas, pero como una cantidad intermedia (función de fuerza) más que como un resultado final; La teoría también debe considerar la respuesta dinámica acumulada de las mareas de la Tierra a las fuerzas aplicadas, cuya respuesta está influenciada por la profundidad del océano, la rotación de la Tierra y otros factores. [29]
En 1740, la Académie Royale des Sciences de París ofreció un premio al mejor ensayo teórico sobre las mareas. Daniel Bernoulli , Leonhard Euler , Colin Maclaurin y Antoine Cavalleri compartieron el premio. [30]
Maclaurin utilizó la teoría de Newton para demostrar que una esfera lisa cubierta por un océano suficientemente profundo bajo la fuerza de marea de un solo cuerpo deformante es un esferoide alargado (esencialmente un óvalo tridimensional) con el eje mayor dirigido hacia el cuerpo deformante. Maclaurin fue el primero en escribir sobre los efectos de la rotación de la Tierra en el movimiento. Euler se dio cuenta de que la componente horizontal de la fuerza de marea (más que la vertical) impulsa la marea. En 1744, Jean le Rond d'Alembert estudió ecuaciones de mareas para la atmósfera que no incluían la rotación.
En 1770, la barca HMS Endeavour de James Cook encalló en la Gran Barrera de Coral . Se hicieron intentos de reflotarlo en la siguiente marea que fracasó, pero la marea posterior lo levantó con facilidad. Mientras lo reparaban en la desembocadura del río Endeavour, Cook observó las mareas durante un período de siete semanas. Durante las mareas muertas, ambas mareas en un día eran similares, pero en los manantiales las mareas subían 7 pies (2,1 m) por la mañana pero 9 pies (2,7 m) por la noche. [31]
Pierre-Simon Laplace formuló un sistema de ecuaciones diferenciales parciales que relacionan el flujo horizontal del océano con la altura de su superficie, la primera teoría dinámica importante de las mareas de agua. Las ecuaciones de mareas de Laplace todavía se utilizan en la actualidad. William Thomson, primer barón Kelvin , reescribió las ecuaciones de Laplace en términos de vorticidad , lo que permitió encontrar soluciones que describieran ondas costeras atrapadas impulsadas por las mareas, conocidas como ondas de Kelvin . [32] [33] [34]
Otros, incluidos Kelvin y Henri Poincaré, desarrollaron aún más la teoría de Laplace. Basándose en estos desarrollos y en la teoría lunar de EW Brown que describe los movimientos de la Luna, Arthur Thomas Doodson desarrolló y publicó en 1921 [35] el primer desarrollo moderno del potencial de generación de mareas en forma armónica: Doodson distinguió 388 frecuencias de marea. [36] Algunos de sus métodos siguen en uso. [37]
Desde la antigüedad, la observación y discusión de las mareas se ha vuelto más sofisticada, marcando primero la recurrencia diaria y luego la relación de las mareas con el Sol y la Luna. Piteas viajó a las Islas Británicas alrededor del año 325 a. C. y parece ser el primero en relacionar las mareas vivas con las fases de la luna.
En el siglo II a. C., el astrónomo helenístico Seleuco de Seleucia describió correctamente el fenómeno de las mareas para respaldar su teoría heliocéntrica . [38] Teorizó correctamente que las mareas eran causadas por la luna , aunque creía que la interacción estaba mediada por el pneuma . Señaló que las mareas variaban en tiempo y fuerza en diferentes partes del mundo. Según Estrabón (1.1.9), Seleuco fue el primero en vincular las mareas con la atracción lunar, y que la altura de las mareas depende de la posición de la luna con respecto al Sol. [39]
La Naturalis Historia de Plinio el Viejo recopila muchas observaciones de mareas, por ejemplo, las mareas de primavera ocurren unos días después (o antes) de la luna nueva y llena y son más altas alrededor de los equinoccios, aunque Plinio notó muchas relaciones que ahora se consideran fantasiosas. En su Geografía , Estrabón describió que las mareas en el Golfo Pérsico tenían su mayor alcance cuando la Luna estaba más alejada del plano del ecuador. Todo ello a pesar de la amplitud relativamente pequeña de las mareas de la cuenca mediterránea . (Las fuertes corrientes a través del Estrecho de Eurípo y el Estrecho de Mesina desconcertaron a Aristóteles .) Filostrato analizó las mareas en el Libro Cinco de La vida de Apolonio de Tiana . Filóstrato menciona la luna, pero atribuye las mareas a "espíritus". En Europa, alrededor del año 730 d.C., el Venerable Beda describió cómo la marea creciente en una costa de las Islas Británicas coincidía con la bajada en la otra y describió la progresión temporal de la marea alta a lo largo de la costa de Northumbria.
La primera tabla de mareas en China se registró en 1056 dC principalmente para los visitantes que deseaban ver la famosa marea en el río Qiantang . Se cree que la primera tabla de mareas británica conocida es la de John Wallingford, quien murió abad de St. Albans en 1213, basándose en que la marea alta ocurre 48 minutos más tarde cada día y tres horas antes en la desembocadura del Támesis que río arriba en Londres . [40]
En 1614 Claude d'Abbeville publicó la obra " Histoire de la mission de pères capucins en l'Isle de Maragnan et terres circonvoisines ", donde expuso que el pueblo Tupinambá ya tenía una comprensión de la relación entre la Luna y las mareas antes de Europa. . [41]
William Thomson (Lord Kelvin) dirigió el primer análisis armónico sistemático de los registros de mareas a partir de 1867. El resultado principal fue la construcción de una máquina de predicción de mareas que utilizaba un sistema de poleas para sumar seis funciones armónicas de tiempo. Fue "programado" reiniciando engranajes y cadenas para ajustar las fases y las amplitudes. Se utilizaron máquinas similares hasta los años 1960. [42]
El primer registro conocido del nivel del mar de un ciclo completo de primavera-siempre se realizó en 1831 en el Navy Dock en el estuario del Támesis . Muchos puertos grandes tenían estaciones automáticas de mareógrafos en 1850.
John Lubbock fue uno de los primeros en trazar mapas de líneas co-mareales para Gran Bretaña, Irlanda y costas adyacentes, en 1840. [43] William Whewell amplió este trabajo y finalizó con un mapa casi global en 1836. [ 44] Como estos mapas son consistentes, planteó la hipótesis de la existencia de una región sin subida ni bajada de mareas donde las líneas de comarea se encuentran en medio del océano. La existencia de tal punto anfidrómico , como se los conoce ahora, fue confirmada en 1840 por el capitán William Hewett, RN , a partir de cuidadosos sondeos en el Mar del Norte . [45] [46] [32]
Mucho más tarde, a finales del siglo XX, los geólogos observaron ritmitas de marea , que documentan la aparición de mareas antiguas en el registro geológico, especialmente en el Carbonífero . [47] [48]
La fuerza de marea producida por un objeto masivo (la Luna, en adelante) sobre una pequeña partícula ubicada sobre o dentro de un cuerpo extenso (la Tierra, en adelante) es la diferencia vectorial entre la fuerza gravitacional que ejerce la Luna sobre la partícula y la fuerza gravitacional que ejerce la Luna sobre la partícula. se ejercería sobre la partícula si estuviera ubicada en el centro de masa de la Tierra.
Mientras que la fuerza gravitacional ejercida por un cuerpo celeste en la Tierra varía inversamente con el cuadrado de su distancia a la Tierra, la fuerza de marea máxima varía inversamente con el cubo de esta distancia. [49] Si la fuerza de marea causada por cada cuerpo fuera igual a su fuerza gravitacional total (lo cual no es el caso debido a la caída libre de toda la Tierra, no solo de los océanos, hacia estos cuerpos), se produciría un patrón diferente de fuerzas de marea. Se podría observar, por ejemplo, con una influencia mucho más fuerte del Sol que de la Luna: la fuerza gravitacional solar sobre la Tierra es en promedio 179 veces más fuerte que la lunar, pero como el Sol está en promedio 389 veces más lejos de la Tierra, su El gradiente de campo es más débil. La proporcionalidad general es
donde M es la masa del cuerpo celeste, d es su distancia, ρ es su densidad promedio y r es su radio. La relación r / d está relacionada con el ángulo subtendido por el objeto en el cielo. Como el Sol y la Luna tienen prácticamente el mismo diámetro en el cielo, la fuerza de marea del Sol es menor que la de la Luna porque su densidad promedio es mucho menor, y es sólo el 46% del tamaño de la Luna, [ f ] así, durante una marea viva, la Luna contribuye con el 69% mientras que el Sol aporta el 31%. Más precisamente, la aceleración de las mareas lunares (a lo largo del eje Luna-Tierra, en la superficie de la Tierra) es de aproximadamente 1,1 × 10 −7 g , mientras que la aceleración de las mareas solares (a lo largo del eje Sol-Tierra, en la superficie de la Tierra) es de aproximadamente 0,52 × 10 −7 g , donde g es la aceleración gravitacional en la superficie de la Tierra. [g] Los efectos de los otros planetas varían a medida que varían sus distancias a la Tierra. Cuando Venus está más cerca de la Tierra, su efecto es 0,000113 veces el efecto solar. [50] En otras ocasiones, Júpiter o Marte pueden tener el mayor efecto.
La superficie del océano se aproxima a una superficie denominada geoide , que tiene en cuenta la fuerza gravitacional ejercida por la Tierra, así como la fuerza centrífuga debida a la rotación. Consideremos ahora el efecto de cuerpos externos masivos como la Luna y el Sol. Estos cuerpos tienen fuertes campos gravitacionales que disminuyen con la distancia y hacen que la superficie del océano se desvíe del geoide. Establecen una nueva superficie oceánica en equilibrio que se hincha hacia la Luna por un lado y se aleja de la Luna por el otro. La rotación de la Tierra en relación con esta forma provoca el ciclo de marea diario. La superficie del océano tiende a esta forma de equilibrio, que cambia constantemente y nunca la alcanza. Cuando la superficie del océano no está alineada con él, es como si la superficie estuviera inclinada y el agua acelera en dirección descendente.
La marea de equilibrio es la marea idealizada suponiendo una Tierra sin tierra. [51] Produciría un abultamiento de marea en el océano, alargado hacia el cuerpo que lo atrae (la Luna o el Sol). No es causado por la atracción vertical más cercana o más alejada del cuerpo, que es muy débil; más bien, es causada por la fuerza de marea tangencial o de tracción , que es más fuerte a unos 45 grados del cuerpo, lo que da como resultado una corriente de marea horizontal. [h] [i] [j] [55]
Las profundidades del océano son mucho más pequeñas que su extensión horizontal. Por tanto, la respuesta al forzamiento de marea se puede modelar utilizando las ecuaciones de marea de Laplace que incorporan las siguientes características:
Las condiciones límite exigen que no haya flujo a lo largo de la costa y que haya un deslizamiento libre en el fondo.
El efecto Coriolis (fuerza de inercia) dirige los flujos que se mueven hacia el ecuador hacia el oeste y los flujos que se alejan del ecuador hacia el este, permitiendo ondas atrapadas en la costa. Finalmente, se puede agregar un término de disipación que es análogo a la viscosidad.
La amplitud teórica de las mareas oceánicas causadas por la Luna es de unos 54 centímetros (21 pulgadas) en el punto más alto, lo que corresponde a la amplitud que se alcanzaría si el océano tuviera una profundidad uniforme, no hubiera masas terrestres y la Tierra estuviera girando. en sintonía con la órbita de la Luna. El Sol también provoca mareas, cuya amplitud teórica es de unos 25 centímetros (9,8 pulgadas) (46% de la de la Luna) con un ciclo de 12 horas. Durante la marea viva, los dos efectos se suman hasta un nivel teórico de 79 centímetros (31 pulgadas), mientras que durante la marea muerta el nivel teórico se reduce a 29 centímetros (11 pulgadas). Dado que las órbitas de la Tierra alrededor del Sol y de la Luna alrededor de la Tierra son elípticas, las amplitudes de las mareas cambian algo como resultado de las variaciones de las distancias Tierra-Sol y Tierra-Luna. Esto provoca una variación en la fuerza de marea y la amplitud teórica de aproximadamente ±18% para la Luna y ±5% para el Sol. Si tanto el Sol como la Luna estuvieran en sus posiciones más cercanas y alineados en la luna nueva, la amplitud teórica alcanzaría los 93 centímetros (37 pulgadas).
Las amplitudes reales difieren considerablemente, no sólo por las variaciones de profundidad y los obstáculos continentales, sino también porque la propagación de las olas a través del océano tiene un período natural del mismo orden de magnitud que el período de rotación: si no hubiera masas terrestres, se necesitarían alrededor de 30 horas para que una onda superficial de longitud de onda larga se propague a lo largo del ecuador a mitad de camino alrededor de la Tierra (en comparación, la litosfera de la Tierra tiene un período natural de aproximadamente 57 minutos). Las mareas terrestres , que suben y bajan el fondo del océano, y la propia atracción gravitacional de la marea son importantes y complican aún más la respuesta del océano a las fuerzas de las mareas.
Las oscilaciones de las mareas de la Tierra introducen una disipación a una tasa promedio de aproximadamente 3,75 teravatios . [56] Alrededor del 98% de esta disipación se debe al movimiento de las mareas marinas. [57] La disipación surge cuando los flujos de marea a escala de cuenca impulsan flujos de menor escala que experimentan una disipación turbulenta. Esta resistencia de marea crea un par en la luna que transfiere gradualmente el momento angular a su órbita y un aumento gradual en la separación entre la Tierra y la Luna. El par igual y opuesto en la Tierra disminuye correspondientemente su velocidad de rotación. Así, a lo largo del tiempo geológico, la Luna se aleja de la Tierra, aproximadamente 3,8 centímetros (1,5 pulgadas) por año, alargando el día terrestre. [k]
La duración del día ha aumentado aproximadamente 2 horas en los últimos 600 millones de años. Suponiendo (como una aproximación burda) que la tasa de desaceleración haya sido constante, esto implicaría que hace 70 millones de años, la duración del día era del orden de un 1% más corta, con aproximadamente 4 días más por año.
La forma de la costa y el fondo del océano cambia la forma en que se propagan las mareas, por lo que no existe una regla general simple que prediga el momento de la marea alta a partir de la posición de la Luna en el cielo. Las características costeras, como la batimetría submarina y la forma de la costa, significan que las características individuales de la ubicación afectan el pronóstico de las mareas; El tiempo y la altura reales de la marea alta pueden diferir de las predicciones del modelo debido a los efectos de la morfología costera sobre el flujo de marea. Sin embargo, para un lugar determinado, la relación entre la altitud lunar y el momento de la marea alta o baja (el intervalo lunitidal ) es relativamente constante y predecible, al igual que el momento de la marea alta o baja en relación con otros puntos de la misma costa. Por ejemplo, la marea alta en Norfolk, Virginia , EE. UU., como era de esperar, ocurre aproximadamente dos horas y media antes de que la Luna pase directamente por encima.
Las masas de tierra y las cuencas oceánicas actúan como barreras contra el agua que se mueve libremente por todo el mundo, y sus variadas formas y tamaños afectan el tamaño de las frecuencias de las mareas. Como resultado, los patrones de marea varían. Por ejemplo, en Estados Unidos, la costa este tiene mareas predominantemente semidiurnas, al igual que las costas atlánticas de Europa, mientras que la costa oeste tiene predominantemente mareas mixtas. [59] [60] [61] Los cambios humanos en el paisaje también pueden alterar significativamente las mareas locales. [62]
Las fuerzas de marea debidas a la Luna y al Sol generan olas muy largas que viajan por todo el océano siguiendo las trayectorias que se muestran en las cartas de mareas. El momento en que la cresta de la ola llega a un puerto da el momento de la marea alta en el puerto. El tiempo que tarda la ola en recorrer el océano también significa que hay un retraso entre las fases de la Luna y su efecto sobre la marea. Las primaveras y los neaps en el Mar del Norte , por ejemplo, están dos días por detrás de la luna nueva/llena y del primer/tercer cuarto menguante. A esto se le llama edad de la marea . [63] [64]
La batimetría del océano influye en gran medida en la hora exacta y la altura de la marea en un punto costero concreto . Hay algunos casos extremos; A menudo se dice que la Bahía de Fundy , en la costa este de Canadá, tiene las mareas más altas del mundo debido a su forma, batimetría y su distancia desde el borde de la plataforma continental. [65] Las mediciones realizadas en noviembre de 1998 en Burntcoat Head en la Bahía de Fundy registraron un alcance máximo de 16,3 metros (53 pies) y un extremo más alto previsto de 17 metros (56 pies). [66] [67] Mediciones similares realizadas en marzo de 2002 en Leaf Basin, Bahía de Ungava en el norte de Quebec dieron valores similares (teniendo en cuenta errores de medición), un alcance máximo de 16,2 metros (53 pies) y un extremo más alto previsto de 16,8 metros ( 55 pies). [66] [67] La bahía de Ungava y la bahía de Fundy se encuentran a distancias similares del borde de la plataforma continental, pero la bahía de Ungava solo está libre de hielo durante unos cuatro meses al año, mientras que la bahía de Fundy rara vez se congela.
Southampton, en el Reino Unido, tiene una marea alta doble causada por la interacción entre los componentes de las mareas M 2 y M 4 (sobremareas en aguas poco profundas de la luna principal). [68] Portland tiene aguas bajas dobles por la misma razón. La marea M 4 se encuentra a lo largo de toda la costa sur del Reino Unido, pero su efecto es más notable entre la Isla de Wight y Portland porque la marea M 2 es más baja en esta región.
Debido a que los modos de oscilación del Mar Mediterráneo y el Mar Báltico no coinciden con ningún período de forzamiento astronómico significativo, las mareas más grandes están cerca de sus estrechas conexiones con el Océano Atlántico. Por la misma razón también se producen mareas extremadamente pequeñas en el Golfo de México y el Mar de Japón . En otros lugares, como a lo largo de la costa sur de Australia , las mareas bajas pueden deberse a la presencia de un anfidromo cercano .
La teoría de la gravitación de Isaac Newton permitió por primera vez explicar por qué generalmente había dos mareas al día, no una, y ofreció la esperanza de una comprensión detallada de las fuerzas y el comportamiento de las mareas. Aunque pueda parecer que las mareas pueden predecirse mediante un conocimiento suficientemente detallado de los forzamientos astronómicos instantáneos, la marea real en un lugar determinado está determinada por las fuerzas astronómicas acumuladas por la masa de agua durante muchos días. Además, para obtener resultados precisos se necesitaría un conocimiento detallado de la forma de todas las cuencas oceánicas: su batimetría y la forma de la costa.
El procedimiento actual para analizar las mareas sigue el método de análisis armónico introducido en la década de 1860 por William Thomson . Se basa en el principio de que las teorías astronómicas de los movimientos del Sol y la Luna determinan un gran número de frecuencias componentes, y en cada frecuencia hay una componente de fuerza que tiende a producir movimiento de marea, pero que en cada lugar de interés en el Tierra, las mareas responden a cada frecuencia con una amplitud y fase peculiares de esa localidad. Por lo tanto, en cada lugar de interés, las alturas de las mareas se miden durante un período de tiempo suficientemente largo (normalmente más de un año en el caso de un puerto nuevo no estudiado previamente) para permitir distinguir la respuesta en cada frecuencia significativa de generación de mareas. mediante análisis, y extraer las constantes de marea para un número suficiente de los componentes más fuertes conocidos de las fuerzas de marea astronómicas para permitir la predicción práctica de las mareas. Se espera que las alturas de las mareas sigan la fuerza de la marea, con una amplitud y un retraso de fase constantes para cada componente. Debido a que las frecuencias y fases astronómicas se pueden calcular con certeza, la altura de la marea en otros momentos se puede predecir una vez que se ha encontrado la respuesta a los componentes armónicos de las fuerzas astronómicas generadoras de marea.
Los principales patrones en las mareas son
La marea astronómica más alta es la marea de primavera del perigeo cuando tanto el Sol como la Luna están más cerca de la Tierra.
Cuando se enfrenta a una función que varía periódicamente, el enfoque estándar es emplear series de Fourier , una forma de análisis que utiliza funciones sinusoidales como conjunto base , con frecuencias que son cero, una, dos, tres, etc., veces la frecuencia de una función en particular. ciclo fundamental. Estos múltiplos se denominan armónicos de la frecuencia fundamental y el proceso se denomina análisis armónico . Si el conjunto básico de funciones sinusoidales se adapta al comportamiento que se está modelando, es necesario agregar relativamente pocos términos armónicos. Las trayectorias orbitales son casi circulares, por lo que las variaciones sinusoidales son adecuadas para las mareas.
Para el análisis de las alturas de las mareas, en la práctica el método de la serie de Fourier debe ser más elaborado que el uso de una única frecuencia y sus armónicos. Los patrones de marea se descomponen en muchas sinusoides que tienen muchas frecuencias fundamentales, correspondientes (como en la teoría lunar ) a muchas combinaciones diferentes de los movimientos de la Tierra, la Luna y los ángulos que definen la forma y ubicación de sus órbitas.
Entonces, para las mareas, el análisis armónico no se limita a armónicos de una sola frecuencia. [l] En otras palabras, las armonías son múltiplos de muchas frecuencias fundamentales, no solo de la frecuencia fundamental del enfoque más simple de la serie de Fourier. Su representación como una serie de Fourier que tiene sólo una frecuencia fundamental y sus múltiplos (enteros) requeriría muchos términos y estaría severamente limitada en el rango de tiempo para el cual sería válida.
El estudio de la altura de las mareas mediante análisis armónico fue iniciado por Laplace, William Thomson (Lord Kelvin) y George Darwin . AT Doodson amplió su trabajo introduciendo la notación del número Doodson para organizar los cientos de términos resultantes. Este enfoque ha sido el estándar internacional desde entonces, y las complicaciones surgen de la siguiente manera: la fuerza de elevación de la marea está teóricamente dada por sumas de varios términos. Cada término es de la forma
dónde
Hay un término para la Luna y un segundo término para el Sol. La fase p del primer armónico del término Lunar se denomina intervalo lunitidal o intervalo de marea alta.
El siguiente refinamiento es dar cabida a los términos armónicos debido a la forma elíptica de las órbitas. Para ello, se considera que el valor de la amplitud no es constante, sino que varía con el tiempo, alrededor de la amplitud media A o . Para hacerlo, reemplace A o en la ecuación anterior con A ( t ) , donde A es otra sinusoide, similar a los ciclos y epiciclos de la teoría ptolemaica . Esto da
es decir un valor promedio A o con una variación sinusoidal al respecto de magnitud A a , con frecuencia ω a y fase p a . Sustituyendo esto por A o en la ecuación original se obtiene un producto de dos factores coseno:
Dado que para cualquier x e y
Está claro que un término compuesto que involucra el producto de dos términos cosenos, cada uno con su propia frecuencia, es lo mismo que tres términos cosenos simples que se deben sumar en la frecuencia original y también en frecuencias que son la suma y la diferencia de las dos frecuencias. del término del producto. (Tres, no dos términos, ya que la expresión completa es .) Consideremos además que la fuerza de marea en un lugar depende también de si la Luna (o el Sol) está por encima o por debajo del plano del Ecuador, y que estos atributos tienen sus respectivos significados. propios períodos también son inconmensurables con un día y un mes, y está claro que resultan muchas combinaciones. Con una elección cuidadosa de las frecuencias astronómicas básicas, el Número Doodson anota las sumas y diferencias particulares para formar la frecuencia de cada término coseno simple.
Recuerda que las mareas astronómicas no incluyen los efectos climáticos. Además, los cambios en las condiciones locales (movimiento de los bancos de arena, dragado de las bocas de los puertos, etc.) distintas de las que prevalecen en el momento de la medición afectan el momento y la magnitud reales de la marea. Las organizaciones que citan una "marea astronómica más alta" para algún lugar pueden exagerar la cifra como factor de seguridad contra incertidumbres analíticas, distancia desde el punto de medición más cercano, cambios desde la última hora de observación, hundimiento del terreno, etc., para evitar responsabilidades en caso de que se realice un trabajo de ingeniería. ser superado. Se necesita especial cuidado al evaluar el tamaño de un "oleaje meteorológico" restando la marea astronómica de la marea observada.
El análisis cuidadoso de los datos de Fourier durante un período de diecinueve años (la Época Nacional de Datum de las Mareas en los EE. UU.) utiliza frecuencias llamadas constituyentes armónicos de las mareas . Se prefieren diecinueve años porque las posiciones relativas de la Tierra, la Luna y el Sol se repiten casi exactamente en el ciclo metónico de 19 años, que es suficiente para incluir el componente de marea nodal lunar de 18,613 años . Este análisis se puede realizar utilizando únicamente el conocimiento del período de forzamiento , pero sin una comprensión detallada de la derivación matemática, lo que significa que durante siglos se han construido tablas de mareas útiles. [69] Las amplitudes y fases resultantes se pueden utilizar para predecir las mareas esperadas. Estos suelen estar dominados por los constituyentes cercanos a las 12 horas (los componentes semidiurnos ), pero también hay constituyentes importantes cerca de las 24 horas ( diurnos ). Los constituyentes de más largo plazo son de 14 días o quincenales , mensuales y semestrales. Las mareas semidiurnas dominaron la costa, pero algunas áreas como el Mar de China Meridional y el Golfo de México son principalmente diurnas. En las zonas semidiurnas, los períodos constituyentes primarios M 2 (lunar) y S 2 (solar) difieren ligeramente, de modo que las fases relativas y, por tanto, la amplitud de la marea combinada, cambian cada quince días (período de 14 días). [70]
En el gráfico M 2 anterior, cada línea cotidal difiere en una hora de sus vecinas, y las líneas más gruesas muestran mareas en fase con el equilibrio en Greenwich. Las líneas giran alrededor de los puntos anfidrómicos en el sentido contrario a las agujas del reloj en el hemisferio norte, de modo que desde la península de Baja California hasta Alaska y desde Francia hasta Irlanda la marea M 2 se propaga hacia el norte. En el hemisferio sur esta dirección es en el sentido de las agujas del reloj. Por otro lado, la marea M 2 se propaga en sentido antihorario alrededor de Nueva Zelanda, pero esto se debe a que las islas actúan como una presa y permiten que las mareas tengan diferentes alturas en los lados opuestos de las islas. (Las mareas se propagan hacia el norte en el lado este y hacia el sur en la costa oeste, como lo predice la teoría).
La excepción es el estrecho de Cook , donde las corrientes de marea vinculan periódicamente las aguas altas con las bajas. Esto se debe a que las líneas cotidales de 180° alrededor de los anfidromas están en fase opuesta, por ejemplo, la marea alta frente a la marea baja en cada extremo del Estrecho de Cook. Cada componente de marea tiene un patrón diferente de amplitudes, fases y puntos anfidrómicos, por lo que los patrones M 2 no se pueden utilizar para otros componentes de marea.
Debido a que la Luna se mueve en su órbita alrededor de la Tierra y en el mismo sentido que la rotación de la Tierra, un punto de la Tierra debe girar un poco más para alcanzarlo, de modo que el tiempo entre mareas semidiurnas no sea de doce sino de 12,4206 horas, una poco más de veinticinco minutos extra. Los dos picos no son iguales. Las dos mareas altas del día se alternan en alturas máximas: baja alta (poco menos de tres pies), alta alta (poco más de tres pies) y nuevamente baja alta. Lo mismo ocurre con las mareas bajas.
Cuando la Tierra, la Luna y el Sol están alineados (Sol-Tierra-Luna o Sol-Luna-Tierra), las dos influencias principales se combinan para producir mareas vivas; cuando las dos fuerzas se oponen entre sí, como cuando el ángulo Luna-Tierra-Sol es cercano a los noventa grados, se producen mareas muertas. A medida que la Luna se mueve alrededor de su órbita, cambia del norte del ecuador al sur del ecuador. La alternancia en las alturas de las mareas altas se hace menor, hasta que son iguales (en el equinoccio lunar, la Luna está por encima del ecuador), luego se vuelven a desarrollar pero con la otra polaridad, aumentando hasta una diferencia máxima y luego disminuyendo nuevamente.
La influencia de las mareas en la corriente o el flujo es mucho más difícil de analizar y es mucho más difícil recopilar datos. La altura de la marea es una cantidad escalar y varía suavemente en una amplia región. Un flujo es una cantidad vectorial , con magnitud y dirección, las cuales pueden variar sustancialmente con la profundidad y en distancias cortas debido a la batimetría local. Además, aunque el centro de un canal de agua es el sitio de medición más útil, los marineros se oponen cuando el equipo de medición de corriente obstruye las vías fluviales. Un flujo que asciende por un canal curvo puede tener una magnitud similar, aunque su dirección varíe continuamente a lo largo del canal. Sorprendentemente, las inundaciones y los reflujos no suelen ir en direcciones opuestas. La dirección del flujo está determinada por la forma del canal aguas arriba, no por la forma del canal aguas abajo. Asimismo, pueden formarse remolinos en una sola dirección del flujo.
Sin embargo, el análisis de las corrientes de marea es similar al análisis de las alturas de las mareas: en el caso simple, en un lugar determinado, el flujo de inundación se produce principalmente en una dirección y el reflujo en otra dirección. Las velocidades de inundación reciben un signo positivo y las velocidades de reflujo, un signo negativo. El análisis procede como si se tratara de alturas de marea.
En situaciones más complejas, los principales flujos de reflujo y crecida no dominan. En cambio, la dirección y magnitud del flujo trazan una elipse sobre un ciclo de marea (en un gráfico polar) en lugar de a lo largo de las líneas de reflujo y inundación. En este caso, el análisis podría realizarse a lo largo de pares de direcciones, con las direcciones primaria y secundaria en ángulos rectos. Una alternativa es tratar los flujos de marea como números complejos, ya que cada valor tiene tanto una magnitud como una dirección.
La información sobre el flujo de mareas se ve más comúnmente en las cartas náuticas , presentadas como una tabla de velocidades de flujo y marcaciones a intervalos de una hora, con tablas separadas para mareas vivas y muertas. El momento es relativo a la marea alta en algún puerto donde el comportamiento de las mareas es similar en patrón, aunque puede estar muy lejos.
Al igual que con las predicciones de la altura de las mareas, las predicciones del flujo de las mareas basadas únicamente en factores astronómicos no incorporan las condiciones climáticas, lo que puede cambiar completamente el resultado.
El flujo de marea a través del Estrecho de Cook entre las dos islas principales de Nueva Zelanda es particularmente interesante, ya que las mareas a cada lado del estrecho están casi exactamente desfasadas, de modo que la marea alta de un lado es simultánea con la marea baja del otro. Se producen fuertes corrientes, con un cambio casi nulo en la altura de las mareas en el centro del estrecho. Sin embargo, aunque la marea normalmente fluye en una dirección durante seis horas y en dirección contraria durante seis horas, una oleada particular puede durar ocho o diez horas con la oleada inversa debilitada. En condiciones climáticas especialmente agitadas, el oleaje inverso podría superarse por completo de modo que el flujo continúe en la misma dirección durante tres o más períodos de oleaje.
Una complicación adicional para el patrón de flujo del Estrecho de Cook es que la marea en el lado sur (por ejemplo, en Nelson ) sigue el ciclo quincenal común de marea primavera-muestra (como se encuentra en el lado oeste del país), pero el patrón de marea del lado norte Tiene sólo un ciclo por mes, como en el lado este: Wellington y Napier .
El gráfico de las mareas del Estrecho de Cook muestra por separado la altura y el tiempo de marea alta y baja, hasta noviembre de 2007; Estos no son valores medidos, sino que se calculan a partir de parámetros de marea derivados de mediciones de años de antigüedad. La carta náutica del Estrecho de Cook ofrece información sobre las corrientes de marea. Por ejemplo, la edición de enero de 1979 para 41°13·9'S 174°29·6'E (noroeste del cabo Terawhiti ) se refiere a Westport , mientras que la edición de enero de 2004 se refiere a Wellington. Cerca del cabo Terawhiti, en medio del estrecho de Cook, la variación de la altura de las mareas es casi nula, mientras que la corriente de marea alcanza su máximo, especialmente cerca del famoso Karori Rip. Aparte de los efectos climáticos, las corrientes reales a través del Estrecho de Cook están influenciadas por las diferencias de altura de las mareas entre los dos extremos del estrecho y, como puede verse, sólo una de las dos mareas vivas en el extremo noroeste del estrecho, cerca de Nelson, tiene una marea viva equivalente en el extremo sureste (Wellington), por lo que el comportamiento resultante no sigue ninguno de los puertos de referencia. [ cita necesaria ]
La energía de las mareas se puede extraer de dos maneras: insertando una turbina hidráulica en una corriente de marea o construyendo estanques que liberen o admitan agua a través de una turbina. En el primer caso, la cantidad de energía está completamente determinada por el momento y la magnitud de la corriente de marea. Sin embargo, es posible que las mejores corrientes no estén disponibles porque las turbinas obstruirían los barcos. En el segundo, la construcción de las represas es costosa, los ciclos naturales del agua están completamente perturbados y la navegación de los barcos se ve perturbada. Sin embargo, con múltiples estanques, se puede generar energía en momentos elegidos. Hasta ahora, hay pocos sistemas instalados para la generación de energía mareomotriz (el más famoso, La Rance en Saint Malo , Francia) que enfrentan muchas dificultades. Aparte de los problemas medioambientales, el simple hecho de resistir la corrosión y las incrustaciones biológicas plantea desafíos de ingeniería.
Los defensores de la energía mareomotriz señalan que, a diferencia de los sistemas de energía eólica, los niveles de generación se pueden predecir de manera confiable, salvo los efectos climáticos. Si bien es posible cierta generación durante la mayor parte del ciclo de las mareas, en la práctica las turbinas pierden eficiencia a velocidades de operación más bajas. Dado que la potencia disponible de un flujo es proporcional al cubo de la velocidad del flujo, los tiempos durante los cuales es posible generar alta energía son breves.
Los flujos de marea son importantes para la navegación y se producen errores importantes de posición si no se tienen en cuenta. Las alturas de las mareas también son importantes; por ejemplo, muchos ríos y puertos tienen una "barra" poco profunda en la entrada que impide que los barcos con un calado significativo entren durante la marea baja.
Hasta la llegada de la navegación automatizada, la competencia para calcular los efectos de las mareas era importante para los oficiales navales. El certificado de examen para tenientes de la Royal Navy declaraba una vez que el futuro oficial podía "cambiar su rumbo". [71]
Los tiempos y velocidades de los flujos de marea aparecen en las cartas de mareas o en un atlas de corrientes de marea . Las cartas de mareas vienen en juegos. Cada gráfico cubre una sola hora entre una marea alta y otra (ignoran los 24 minutos restantes) y muestra el flujo de marea promedio para esa hora. Una flecha en el gráfico de mareas indica la dirección y la velocidad promedio del flujo (generalmente en nudos ) para las mareas vivas y muertas. Si no se dispone de una carta de mareas, la mayoría de las cartas náuticas tienen " diamantes de marea " que relacionan puntos específicos de la carta con una tabla que indica la dirección y velocidad del flujo de marea.
El procedimiento estándar para contrarrestar los efectos de las mareas en la navegación es (1) calcular una posición de " estima " (o DR) a partir de la distancia y dirección del viaje, (2) marcar la carta (con una cruz vertical como un signo más) y (3 ) traza una línea desde la República Dominicana en la dirección de la marea. La distancia que la marea mueve el barco a lo largo de esta línea se calcula mediante la velocidad de la marea, y esto da una "posición estimada" o EP (tradicionalmente marcada con un punto en un triángulo).
Las cartas náuticas muestran la "profundidad cartografiada" del agua en lugares específicos con " sondeos " y el uso de líneas de contorno batimétricas para representar la forma de la superficie sumergida. Estas profundidades son relativas a un " datum cartográfico ", que normalmente es el nivel del agua en la marea astronómica más baja posible (aunque comúnmente se usan otros datums, especialmente históricamente, y las mareas pueden ser más bajas o más altas por razones meteorológicas) y, por lo tanto, son las mínimas. Posible profundidad del agua durante el ciclo de marea. En la carta también se pueden mostrar las "alturas de secado", que son las alturas del fondo marino expuesto durante la marea astronómica más baja.
Las tablas de mareas enumeran las alturas y horas máximas y mínimas del agua de cada día. Para calcular la profundidad real del agua, agregue la profundidad cartografiada a la altura de marea publicada. La profundidad para otras horas puede derivarse de las curvas de marea publicadas para los puertos principales. La regla de las duodécimas puede ser suficiente si no se dispone de una curva precisa. Esta aproximación supone que el aumento de profundidad en las seis horas entre la marea baja y alta es: primera hora - 1/12, segunda - 2/12, tercera - 3/12, cuarta - 3/12, quinta - 2/12, sexto - 1/12.
La ecología intermareal es el estudio de los ecosistemas entre las líneas de marea baja y alta a lo largo de una costa. En aguas bajas, la zona intermareal está expuesta (o sumergida ), mientras que en aguas altas, está bajo el agua (o sumergida ). Por tanto, los ecólogos intermareales estudian las interacciones entre los organismos intermareales y su entorno, así como entre las diferentes especies . Las interacciones más importantes pueden variar según el tipo de comunidad intermareal. Las clasificaciones más amplias se basan en sustratos: costa rocosa o fondo blando.
Los organismos intermareales experimentan un entorno muy variable y a menudo hostil, y se han adaptado para afrontar e incluso explotar estas condiciones. Una característica fácilmente visible es la zonificación vertical , en la que la comunidad se divide en distintas bandas horizontales de especies específicas en cada elevación sobre el nivel del agua. La capacidad de una especie para hacer frente a la desecación determina su límite superior, mientras que la competencia con otras especies fija su límite inferior.
Los humanos utilizan las regiones intermareales para alimentarse y recrearse. La sobreexplotación puede dañar directamente los intermareales. Otras acciones antropogénicas, como la introducción de especies invasoras y el cambio climático, tienen grandes efectos negativos. Las Áreas Marinas Protegidas son una opción que las comunidades pueden aplicar para proteger estas áreas y ayudar a la investigación científica .
El ciclo de marea de aproximadamente 12 horas y quincenal tiene grandes efectos sobre los organismos intermareales [72] y marinos. [73] Por lo tanto, sus ritmos biológicos tienden a ocurrir en múltiplos aproximados de estos períodos. [74] Muchos otros animales, como los vertebrados , muestran ritmos circatidales similares. [75] Los ejemplos incluyen la gestación y la eclosión de huevos. En los humanos, el ciclo menstrual dura aproximadamente un mes lunar , un múltiplo par del período de las mareas. Estos paralelos al menos insinúan la descendencia común de todos los animales de un ancestro marino. [76]
Cuando las corrientes de marea oscilantes en el océano estratificado fluyen sobre una topografía de fondo desigual, generan ondas internas con frecuencias de marea. Este tipo de ondas se denominan mareas internas .
Las áreas poco profundas en aguas que de otra manera estarían abiertas pueden experimentar corrientes de marea rotativas, que fluyen en direcciones que cambian continuamente y, por lo tanto, la dirección del flujo (no el flujo) completa una rotación completa en 12+1 ⁄ 2 horas (por ejemplo, Nantucket Shoals ). [77]
Además de las mareas oceánicas, los grandes lagos pueden experimentar mareas pequeñas e incluso los planetas pueden experimentar mareas atmosféricas y mareas terrestres . Estos son fenómenos mecánicos continuos . Los dos primeros tienen lugar en fluidos . El tercero afecta a la delgada corteza sólida de la Tierra que rodea su interior semilíquido (con diversas modificaciones).
Los lagos grandes como Superior y Erie pueden experimentar mareas de 1 a 4 cm (0,39 a 1,6 pulgadas), pero pueden quedar enmascaradas por fenómenos inducidos meteorológicamente como el seiche . [78] La marea en el lago Michigan se describe como de 1,3 a 3,8 cm (0,5 a 1,5 pulgadas) [79] o 4,4 cm ( 1+3 ⁄ 4 pulgadas). [80] Esto es tan pequeño que otros efectos más grandes enmascaran completamente cualquier marea y, como tal, estos lagos se consideran sin mareas. [81]
Las mareas atmosféricas son insignificantes a nivel del suelo y a altitudes de aviación, enmascaradas por efectos mucho más importantes del clima . Las mareas atmosféricas son de origen tanto gravitacional como térmico y son la dinámica dominante de aproximadamente 80 a 120 kilómetros (50 a 75 millas), por encima de la cual la densidad molecular se vuelve demasiado baja para soportar el comportamiento de los fluidos.
Las mareas terrestres o mareas terrestres afectan a toda la masa terrestre, que actúa de forma similar a un giroscopio líquido con una corteza muy fina. La corteza terrestre se desplaza (adentro/afuera, este/oeste, norte/sur) en respuesta a la gravitación lunar y solar, las mareas oceánicas y la carga atmosférica. Si bien es insignificante para la mayoría de las actividades humanas, la amplitud semidiurna de las mareas terrestres puede alcanzar unos 55 centímetros (22 pulgadas) en el ecuador (15 centímetros (5,9 pulgadas) debido al Sol), lo cual es importante en la calibración del GPS y las mediciones de VLBI . Las mediciones angulares astronómicas precisas requieren conocimiento de la velocidad de rotación de la Tierra y del movimiento polar , los cuales están influenciados por las mareas terrestres. Las mareas semidiurnas M 2 de la Tierra están casi en fase con la Luna con un retraso de aproximadamente dos horas. [ cita necesaria ]
Las mareas galácticas son las fuerzas de marea que ejercen las galaxias sobre las estrellas dentro de ellas y las galaxias satélite que las orbitan. Se cree que los efectos de la marea galáctica en la nube de Oort del Sistema Solar causan el 90 por ciento de los cometas de período largo. [82]
Los tsunamis , las grandes olas que se producen después de los terremotos, a veces se denominan maremotos , pero este nombre se da por su parecido con la marea, más que por cualquier vínculo causal con la marea. Otros fenómenos no relacionados con las mareas pero que utilizan la palabra marea son las mareas de resaca , las mareas tormentosas , las mareas huracanadas y las mareas negras o rojas . Muchos de estos usos son históricos y se refieren al significado anterior de marea como "una porción de tiempo, una estación" y "un arroyo, corriente o inundación". [83]
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